高温压力传感器现状与展望

*国家自然科学基金资助项目(基金号:69876027)收稿日期:2001-10-24 修改稿日期:2002-01-14

高温压力传感器现状与展望

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张 为 姚素英 张生才 刘艳艳 曲宏伟天津大学电子信息工程学院 天津市 300072

=摘要>论述了多晶硅、SOI(绝缘体上硅)、碳化硅、SOS(蓝宝石上硅)、石英、溅射合金薄膜、陶瓷厚膜和光纤等高温压力传感器的基本结构、工作原理、特点及研究现状,展望了压力传感器的未来。

关键词:压力传感器 高温 现状 展望中图分类号:TN354

Status Quo of High -Temperature Pressure Sensor and Its Prospect

Zhang Wei Yao Suying Zhang Shengcai Liu Yanyan Qu Hongwei School of Electronics and Information Engineer ing ,T ianjin U niv ersity,T ianjin 300072

Abstract:Discusses the structure,principle,performance and research status quo of polysilicon,silicon on insulator,sil-i con on sapphir e,quartz,allo y thin-film,ceramic thick-film,optic-fiber high-temper ature pressur e sensor respectively ,and for ecasts the future of the pr essure sensor.

Key Words:Pr essure Sensor;High-T emperature;Status Quo;P rospect

1 引言

传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志,它与通信技术、计算机技术构成现代信息产业的三大支柱。在各种传感器中,压力传感器是应用最为广泛的一种。但目前使用的硅压力传感器主要是扩散硅压力传感器,其应变电桥采用p 型扩散电阻,而应变膜是n 型硅衬底,两者之间是自然的pn 结隔离。当工作温度超过120e ,应变电阻与衬底间的pn 结漏电加剧,使传感器特性严重恶化以至失效,因而不能在较高温度环境下进行压力测量。而石油、汽车、航天等领域的使用要求,使高温压力传感器的研究成为必然。

随着新材料、新工艺的不断出现,人们提出了多种高温压力传感器结构。目前已经研制出多晶硅压力传感器、SOI(Silicon on Insulator)单晶硅压力传感器、SiC 压力传感器、SOS(Silicon on Sapphire)蓝宝石上硅压力传感器、石英压力传感器、溅射合金薄膜压力传感器、陶瓷厚膜压力传感器和光纤压力传感器等。文中分别从结构、工作原理、特性和国内外研究现状等方面对以上几种高温压力传感器进行了论述,并探讨了压力传感器未来的发展方向。

2 高温压力传感器发展现状

211 多晶硅压力传感器

多晶硅是半导体集成电路中广泛应用的薄膜材料。它的物理和化学性质通常取决于薄膜的结构(如

晶粒的尺寸)和掺杂的类型与浓度。80年代后期,基于多晶硅较大的压阻系数和良好的温度特性,有人提出了多晶硅高温压力传感器[1]

。

图1 多晶硅压力传感器结构

多晶硅压力传感器的结构如图1所示。采用掺杂多晶硅膜作应变电阻膜,4个构成惠斯通电桥的应变电阻分布在单晶硅膜片上的不同区域,以期得到最大的应变。

多晶硅压力传感器以SiO 2介质隔离代替pn 结隔离,减小了器件在高温下的漏电,从而提高了传感器的工作温度。多晶硅的应变因子较大,因而传感器灵敏

度高。多晶硅薄膜工艺成熟,传感器制作工艺为半导体集成电路平面工艺结合微机械加工技术,芯片易于批量制作,成本低廉。

目前由天津大学微电子技术开发研究中心研制的多晶硅高温压力传感器,压力量程有0~1MPa 、0~215MPa 和0~6MPa 3个系列,工作温区-40~220e ,满量程输出大于40mV/mA,零点温度系数和灵敏度温度系数均小于5@10

-4

/e .据现有文献报

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仪表技术与传感器

2002年

道,国外仅有美国、德国、法国和西班牙几个研究机构从事多晶硅压力传感器的研究,其中美国Fox boro公司的多晶硅压力传感器已实现产品化[2]。

212SOI单晶硅高温压力传感器

SOI(Silicon on Insulator)是新兴的半导体材料,具有自隔离、体漏电小、寄生电容小、抗辐射、无体硅闩锁效应等特点,最早应用于大功率半导体器件。SOI材料的特殊结构使之也成为制作传感器的理想材料。国外已有研制成功的SOI单晶硅压力传感器[3,4],天津大学也研制出样品,目前正处于测试阶段。

SOI单晶硅压力传感器的结构与多晶硅压力传感器相似,主要区别在于采用单晶硅薄膜制作惠斯通电桥的4个应变电阻。除保持多晶硅压力传感器已有长处和特点之外,由于单晶硅材料有更大的压阻系数(多晶硅薄膜在相同掺杂浓度下,压阻系数约为单晶硅材料的60%~70%[5]),可以通过优化传感器芯片设计,进一步提高传感器的灵敏度。此外,SOI材料是制作高温、高速、抗辐射等特殊集成电路的基本材料,SOI单晶硅压力传感器工艺是标准的集成电路平面工艺,这样就可以实现工作于恶劣环境的单片智能测压系统。SOIMEMS现已成为MEMS的主要研究方向之一。

213SiC高温压力传感器

SiC材料是第三代直接跃迁型宽禁带的半导体材料。它的宽禁带结构(6H-SiC约310eV)、高击穿电压(约215mV/cm)和较高热导率等特点,使其具有优良的抗辐射性能和高温稳定性,可用来制作高温器件。SiC还具有良好的机械性能,优异的化学稳定性以及较大的压阻系数,所以可以用来制作压力传感器。目前SiC高温器件和传感器的研究是一个非常热门的领域。美国国家宇航局NASA的Galenn研究中心已经研制出SiC高温肖特基二极管(Schottky Diodes)和工作温度可达500e的高温压力传感器。

214SOS蓝宝石压力传感器

这是在80年代早期提出的一种应变式压力传感器结构[6]。通过在作为弹性体的蓝宝石(A-Al2O3)上异质外延生长单晶硅膜,采用半导体平面工艺制作硅应变电桥。蓝宝石弹性膜的制作主要靠机械方法。由于采用了介质隔离,该压力传感器的最高工作温度可以达到200e.蓝宝石材料具有很高的化学稳定性,所以蓝宝石传感器还具有耐腐蚀的特点。

但是,这种SOS压力传感器的致命弱点是成本高,工艺复杂。蓝宝石单晶片的成本是硅片的10倍以上,价格昂贵。而且由于蓝宝石材料硬度高又抗腐蚀,加工难度大,用机械方法制作应变薄膜的成品率很低。这些因素都限制了该传感器的批量生产和推广。另外,在理论上,外延单晶硅膜与蓝宝石间的晶格失配大,存在很大的失配应力,传感器的长期稳定性难有保证。由于以上原因,SOS压力传感器虽然出现较早,但并没有得到很大的发展。目前只见到日本Burns公司有个别量程系列SOS压力传感器的报道。

215石英压力传感器

石英晶体具有很好的压电特性,是最早发现的压电材料,可用于制作谐振压力传感器[7,8]。由于石英具有很高的Q值,所以石英压力传感器工作频率高,主要用于动态压力测试。石英压力传感器的工作温度高,广泛应用于发动机汽缸动态压力和一些爆炸压力测试。

石英谐振式压力传感器一般不用作静压测试。由于是电荷传感,该传感器对电荷检出与处理电路的要求很高,调试不太方便。

216溅射薄膜压力传感器

溅射薄膜压力传感器也是一种应变式压力传感器。它是一种金属(合金)-SiO2-金属(合金)结构。先在作为衬底的金属或合金薄膜上溅射(淀积)一层SiO2;然后利用磁控溅射技术,在SiO2上溅射一定厚度的合金薄膜,通过光刻,该层合金薄膜组成应变电桥;最后淀积Au电极,形成传感器芯片结构[9]。目前溅射薄膜压力传感器的最高工作温度可达200e。

由于金属的电阻率小,压阻系数又很低,溅射薄膜压力传感器的灵敏度很小;同时输入阻抗小,功耗大。另外采用合金膜片也增加了封装难度。

217陶瓷厚膜高温压力传感器

一些陶瓷材料具有压阻效应,可用于制作压力传感器。应用最广泛的是PZT材料(Lead Zirconate T-i tanate)。用丝网印刷技术,在陶瓷基板(一般为Al2O3)的特定位置上印出一定的PZT浆料图形,通过高温烧结,形成应变电阻。圆形陶瓷基板与底座间也是用烧结法形成固支结构。这是陶瓷应变压力传感器的基本工艺。陶瓷抗腐蚀,耐高温。厚膜压力传感器的工作温度一般可达到150e.瑞士Kistler公司以生产厚膜压力传感器闻名。

由于丝网印刷工艺精度和浆料均匀性的限制,这类传感器的应变电阻一般需要进行激光修正才能达到较好的一致性。另外厚膜压力传感器的灵敏度相对较低,且功耗大。

218光纤高温压力传感器

自70年代人类发明新的信息载体材料光纤以来,它一直是发展最为迅速的现代技术之一。光纤技术在通讯领域的应用和意义早已为人们所熟悉。它优良的抗电磁干扰能力,相对于其体积、重量的巨大信息承载

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第4期#传感器技术#